介电液体电热对流的介观格子-Boltzmann模拟.pdf

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1、硕士学位论文介电液体电热对流的介观格子-Boltzmann模拟MESOSCOPICLATTICEBOLTZMANNSIMULATIONOFELECTROTHERMALCONVENCTIONINDIELECTRICFLUIDS汪祥哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TK123学校代码：10213国际图书分类号：621.1.016.7密级：公开工学硕士学位论文介电液体电热对流的介观格子-Boltzmann模拟硕士研究生：汪祥导师：易红亮教授申请学位：工学硕士学科：工程热物理所在单位：能源科学与工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工

2、业大学ClassifiedIndex:TK123U.D.C:621.1.016.7DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringMESOSCOPICLATTICEBOLTZMANNSIMULATIONOFELECTROTHERMALCONVENCTIONINDIELECTRICFLUIDSCandidate：WangXiangSupervisor：Prof.YiHong-LiangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：Engineering

3、ThermophysicsAffiliation：SchoolofEnergyScienceandEngineeringDateofDefence：June2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要电（热）对流是电流体动力学的基础研究课题之一，隶属传热学、流体力学、电动力学等多学科交叉领域。基于电场的主动流动控制及强化传热技术因其独特优势（无需机械运动部件、低噪声、快速响应和低能耗等）而受到广泛关注。然而电场驱动传热传质技术的理论基础--

4、电热流体动力学现象的机理研究却相对滞后。该研究的核心难点在于：（1）多物理场（包括电场、流场、温度场、电荷分布场）的强烈非线性耦合（2）多学科交叉（包括流体力学、传热学、电磁学、电化学）。正是由于其本身的复杂性，电热对流问题的理论分析、实验和数值研究都相对匮乏，这极大地阻碍了电场驱动传热传质技术的发展和应用。目前阶段，关于此问题的理论研究重点关注简单几何电极结构系统（如双平行平板、同心圆柱、针-板结构等）的线性稳定性分析，绝大部分数值结果是基于传统的求解宏观控制方程组的方法（如有限体积法和有限单元法）。特别指出的是，国内关于电对流和电热对流的研究工作

5、不多，且集中在电场强化换热的实验研究，对相关机理的探索较少。本文采用介观格子-Boltzmann方法（LBM）求解电热对流问题。作为一种介观演化方法，LBM非常适合于求解电（热）对流的瞬态多场耦合输运过程，能够较好地还原耦合过程中的物理震荡以及消除非物理震荡，捕捉瞬态对流过程中的线性和非线性稳定临界点。首先，通过理论分析完成格子-Boltzmann模型的构建；然后，基于分离结合机制开展二维电对流数值计算并逐渐过渡到单极注入机制下的三维电热对流，绘制三维中性稳定曲线。具体内容如下：根据空间维度，采用D2Q9或D3Q17速度离散格式构建电荷分布场，电势场

6、，流场和温度场的格子Boltzmann模型；采用分离结合机制，基于平行平板-圆环模型开展数值模拟工作，研究了电瑞利数T、解离速率常数W0、无量纲迁移率M以及径宽比2R/L等参数的影响，此外，对二维圆方腔内自然对流也进行了数值模拟；再者，模拟耦合温差浮升力和电势差库仑力，分别从电瑞利数T、瑞利数Ra、无量纲迁移率M、无量纲电荷扩散率以及普朗特数Pr等多个控制参数研究其对三维电热对流的影响，给出分析和强化传质换热的具体措施，采用线性稳定性分析法绘制三维中性稳定曲线。关键词：电热对流；格子-Boltzmann方法；单极注入机制；线性稳定性分析方法；中性稳定

7、曲线I哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractElectric(thermal)convectionisoneofthebasicresearchtopicsofelectrohydrodynamics,anditbelongstothemultidisciplinaryfieldofheattransfer,fluidmechanics,andelectrodynamics.Electricfield-basedactiveflowcontrolandenhancedheattransfertechnologyhavereceivedwide

8、attentionbecauseoftheiruniqueadvantages(noneedformecha